Fortschritte im Design poröser Materialien: Die Fusion von Metall-Organischen und Kovalent-Organischen Gerüststrukturen

Poröse Materialien spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen, darunter die Speicherung und Trennung von Gasen, Katalyse und Wirkstofffreisetzung. Jüngste Fortschritte in der Entwicklung von Metall-Organischen Gerüststrukturen (MOFs) und Kovalent-Organischen Gerüststrukturen (COFs) haben das Anwendungsspektrum in diesem Bereich erheblich erweitert. Wir haben nun eine neuartige Klasse hybrider Materialien eingeführt, die als Metall-Organisch-Kovalent-Organische Gerüststrukturen (MOCOFs) bezeichnet werden und die Stärken von MOFs und COFs nahtlos miteinander verbinden.

MOFs und COFs werden durch die Selbstorganisation molekularer Bausteine gebildet, die sich durch ihre Bindungstypen unterscheiden: MOFs basieren auf Koordinationsbindungen zwischen Metallionen und organischen Liganden, während COFs kovalente Bindungen zwischen organischen Molekülen nutzen. Jeder Bindungstyp bietet spezifische Vorteile, bringt aber auch Herausforderungen mit sich: MOFs leiden häufig unter eingeschränkter chemischer Stabilität, während COFs oft eine geringe Kristallinität aufweisen, was ihre Design- und Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Die neu entwickelten MOCOFs überwinden diese Einschränkungen, indem sie sowohl eine hohe Kristallinität als auch chemische Robustheit durch die doppelte Erweiterung von Koordinations- und organischen Bindungen erzielen.

Das erste Beispiel dieser neuen Materialklasse, MOCOF-1, wird aus Kobalt-Aminoporphyrin und Dialdehyden synthetisiert, wobei Aminogruppen sowohl an der Kobalt-Koordination als auch an der Imin-Kondensation beteiligt sind. MOCOF-1 weist Kristalle mit einer Größe von bis zu 100 µm auf, zeigt eine hohe Beständigkeit gegenüber Wasser und Basen und präsentiert eine bisher unbekannte chirale Topologie, die die Vorteile des doppelt erweiterten Ansatzes verdeutlicht. Zudem besitzt es wünschenswerte Eigenschaften, die sowohl MOFs als auch COFs ähneln: eine beachtliche BET-Oberfläche von 2836 m²/g, die Fähigkeit zur Adsorption von Säuremolekülen und eine strukturelle Anpassungsfähigkeit zur Einführung verschiedener funktioneller Gruppen.

Diese Studie stellt nicht nur MOCOFs als eine neue Klasse poröser Materialien vor, sondern zeigt auch das Potenzial einer synergetischen Integration der MOF- und COF-Chemie auf. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für die Entwicklung maßgeschneiderter poröser Materialien mit neuen topologischen Strukturen.

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